Om termoelektriska material kan omvandla lågvärdig värme till elektricitet, vi kanske aldrig behöver ladda bärbar teknologi hemma igen.

På natten, de flesta av oss kopplar in ett virrvarr av kablar och enheter när vi laddar våra smarta klockor, telefoner och träningsspårare. Det är en hög som sannolikt inte kommer att bli mindre när mer och mer bärbar teknik kommer in i våra liv. Tillverkare och futurister förutspår att dessa snart kommer att vara självförsörjande på energi och att vi kommer att bli fria från deras röra. Men frågan kvarstår:hur? För närvarande är de enda större bärbara strömkällorna solladdare, men dessa har betydande begränsningar både inomhus och efter mörkrets inbrott.

Kedar Hippalgaonkar, Jianwei Xu och deras medarbetare vid A*STARs Institute of Materials Research and Engineering (IMRE) tror att de snart kan använda lågvärdig spillvärme – tänk bilavgaser eller kroppsvärme – för att driva enheter.

"En enorm mängd lågvärdig spillvärme dumpas i miljön", säger Hippalgaonkar. Att omvandla denna värme till el är en stor möjlighet som inte bör missas.

Termoelektriska högtemperaturgeneratorer är redan en viktig kraftkälla för rymdinstrument. Mars rover, Nyfikenhet, och den interstellära rymdsonden, Voyager 2, utnyttja långvarig kärnvärme. Den senare har körts på den här typen av kraft i mer än 40 år. "Termoelektrisk kraftgenerering är ingen ny idé, " förklarar Hippalgaonkar. "Det har undersökts sedan 1950-talet och det har gjorts massor av forskning om nya material, men tidigare fokuserade det mesta av arbetet på giftiga, oorganiska material och applikationer med höga driftstemperaturer."

Hippalgaonkar håller med om att spridningen av Internet of Things-enheter nu för med sig en efterfrågan på giftfria, bärbara strömkällor. Framtida kroppssensorer och bärbara enheter skulle kunna bäras konstant om de utnyttjade kroppsvärmen för att vara självförsörjande med energi. "Men för att göra det måste vi utveckla lämpliga nya termoelektriska material som är effektiva vid lägre temperaturer, giftfritt och billigt att tillverka."

Den andra stora möjligheten är att använda all spillvärme som kommer ut genom motoravgaser från bilar, flygplan eller fartyg, han lägger till. Den alstrade elen kan sedan matas tillbaka in i fordonet, minskar dess miljöavtryck.

A*STARs PHAROS-projekt är fokuserat på materialen som kommer att göra dessa termoelektriska generatorer möjliga. Det femåriga projektet startade 2016 och syftar till att hitta en materialsammansättning som är giftfri och, helst, Jorden riklig (gör det billigt), effektiv, och lätt att tillverka. För att göra detta utvecklar de mindre giftiga hybridmaterial som kombinerar organiska och oorganiska element, och de förföljer de som har potential för termoelektrisk energiproduktion vid låg temperatur.

Projektet samlar Hippalgaonkar, en fast tillståndsfysiker och expert på fononernas beteende, fotoner och elektroner i nanoskala och 2D-material, och Jianwei Xu, en kemist med en omfattande forskningsbakgrund inom organiska material, speciellt halvledande polymerer.

Sänker värmen på termisk kraft

För att ladda personliga enheter med termoelektriska material, en generator utnyttjar Seebeck-effekten, där en temperaturskillnad skapar en elektrisk spänning i korsningen mellan två olika material (ofta, men inte uteslutande p- och n-dopade halvledare). Denna spänning kan användas för att driva en enhet eller ladda ett batteri.

Hittills, de mest väletablerade och framgångsrika termoelektriska materialen har varit baserade på metalltellurider, inklusive blytellurid och vismuttellurid. Dessa är kommersiellt tillgängliga och har utnyttjats som en kraftkälla i rymden, där de lokalt kan generera elektricitet för att driva satelliter och rymdsonder. Men de fungerar bara bra vid höga temperaturer, och i rymden används en kärn isotop ombord för att generera denna värme och för att skapa en hög temperaturskillnad. Tillvägagångssättet kan fungera som ett långsiktigt, lokal strömkälla, men de potentiella hälsoriskerna med nukleär strålning gör att den inte är lämplig för många markbaserade tillämpningar.

"Det finns en brist på effektiva material som fungerar runt rumstemperatur och det är vad vi vill ta itu med med PHAROS-projektet, " säger Xu. Men det är en utmanande uppgift att identifiera nya termoelektriska kandidatmaterial, tillverka dem och sedan förstå vad som händer för att debitera överföringar inuti dem.

Hittills, PHAROS-teamet har utforskat en mängd olika konjugerade halvledande polymerer (som polyanilin, P3HT eller PEDOT:PSS) för den organiska komponenten i deras hybrider, som sedan kombineras med en oorganisk komponent gjord av, säga, tellur nanotrådar, kiselnanopartiklar eller 2D-material som MoS2, MoS2. Med dessa, de har undersökt användningen av kolnanorör som tillsats.

Teamet har också utforskat den termoelektriska potentialen hos metylammoniumblyjodidperovskiter1, ett oorganiskt-organiskt hybridmaterialsystem som har blivit känt de senaste åren efter dess framgångsrika användning i solceller. Detta hybridmaterial konkurrerar med kisel när det gäller kraftomvandlingseffektivitet. Den stora fördelen med att använda ett delorganiskt system är att det passar lösningsbearbetning, som producerar stor yta, tunn, flexibla material som billigt kan skrivas ut med bläckstråleskrivare.

Dock, för att ett termoelektriskt material ska fungera bra behöver det helst ha en stor Seebeck-koefficient, vilket är en indikation på hur stor spänningen som genereras kommer att vara för en given temperaturskillnad. Och det är också viktigt att materialet har hög elektrisk ledningsförmåga för att låta en laddning flyta lätt, tillsammans med låg värmeledningsförmåga för att stödja temperaturgradienten på plats.

"Det är väldigt svårt att uppnå dessa egenskaper samtidigt, " säger Hippalgaonkar. "Du vill helst hitta ett material som kombinerar träets låga värmeledningsförmåga med en metalls höga elektriska ledningsförmåga och det är inte lätt att göra."

Material med perfekt poäng

För att göra jämförelser mellan material enklare, något som kallas "ZT-värdet" utvecklades för att ta hänsyn till Seebeck-koefficienten, värmeledningsförmåga, elektrisk ledningsförmåga och temperatur. "Vi vill verkligen ha något som har en ZT på ungefär 1, " säger Xu, även om ett så högt ZT-tal inte är nödvändigt för många användningsområden. För närvarande, a 1 kan uppnås i vismuttellurid och blytellurid, men båda materialen är giftiga, dyr att tillverka och styv.

Nyligen, PHAROS-teamet har utvecklat ett säkrare material som är 10–20 % av vägen till ett perfekt termoelektriskt styrkort. De gjorde detta i ett samarbete med forskare vid USA-baserade Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) genom att optimera ett materialsystem som kombinerar en noggrant designad konjugerad polymer med tellur nanotrådar. Uppmuntrande, ZT-värden på ungefär 0,1–0,2 har uppnåtts2.

Denna upptäckt fick hjälp av Shuo-Wang Yang vid Institute of High Performance Computing på A*Star och hans team, som hjälpte till att förklara växelverkan mellan de organiska och de oorganiska beståndsdelarna i material som framställts av Jeff Urbans team på LBNL. Med experimentellt och teoretiskt arbete utfört av Hippalgaonkars team, fysiken för hur laddningsflöden i dessa komplexa material beskrevs för första gången, lägga en stark grund för framtida utveckling.

"Gränssnittet mellan det organiska och oorganiska gränssnittet är mycket viktigt att studera, Hippalgaonkar förklarar. "Fysiken om hur laddning rör sig genom ett så komplext landskap är mycket utmanande att förstå."

"Termoelektrisk kommer att kunna ge dig möjligheten att realisera självdrivna sensorer snabbast, " säger Hippalgaonkar. Pulsmätare har till exempel mycket blygsamma energibehov, på skalan av några hundra mikrowatt. Ett material med en ZT på 1 som arbetar med en temperaturskillnad på ungefär 10˚C vid rumstemperatur genererar ungefär 50 mikrowatt per kvadratcentimeter, och, i teorin, PHAROS senaste material kunde uppnå 10 mikrowatt per kvadratcentimeter. Så, småskalig, bärbar, elektrisk kraft är redan lockande nära verkligheten, säger Hippalgaonkar. Och när dess kommersiella löfte börjar spela in, deras arbete kommer bara att accelerera.

Termoelektriska generatorer förklaras

En termoelektrisk generator (TEG) är en enhet som omvandlar en temperaturskillnad till en spänning, och hanterar flödet av elektrisk ström runt en krets. Det är ett sätt att omvandla spillvärme till el. Sådana enheter fungerar på grund av Seebeck-effekten, som upptäcktes av den tyske fysikern Thomas Johann Seebeck 1821.

En TEG görs vanligtvis genom att använda p- och n-typ dopade halvledare för att skapa två banor som ansluter till metallelektroder med olika temperaturer, en varm, en förkylning. Seebeckeffekten innebär att hål (positiva elektriska laddningsbärare) i p-typ material och elektronerna (negativa laddningsbärare) i n-typ material diffunderar från den varma elektroden till den kalla elektroden, vilket ger ett spännings- och strömflöde. Processen kan också köras omvänt, när det är känt som Peltier-effekten och insprutningen av en elektrisk ström inducerar kylning vid materialövergången. Termoelektriska kylare, även känd som Peltier-kylare, används ofta i småskaliga enheter för att kontrollera temperaturen på känsliga elektroniska och optoelektriska enheter som laserdioder och fotodetektorer.